17.晶粒大小的控制

1、六，晶粒大小的控制晶粒度：晶粒的大小稱(chēng)為晶粒度，通常用晶粒的平均面積或平均直徑來(lái)表示 不同材料的金屬所需要的晶粒大小：在常溫下，金屬的晶粒越細(xì)小，強(qiáng)度和硬度則越高，同時(shí)塑性韌性也越好。 但是，對(duì)于在髙溫下工作的金屬材料，晶粒過(guò)于細(xì)小性能反而不好，一般希望得到 適中的品粒度。對(duì)于制造電機(jī)和變壓器的硅鋼片來(lái)說(shuō)，晶粒反而越粗大越好。因?yàn)榫ЯＴ酱?，則其 磁滯損耗越小，效應(yīng)越高。表 2-3 列出了晶粒大小對(duì)純鐵機(jī)械性能的影響 由表可見(jiàn)，細(xì)化晶粒對(duì)于提高金屬材料的常溫機(jī)械性能作用很大。細(xì)晶強(qiáng)化：這種用細(xì)化晶粒來(lái)提高材料強(qiáng)度的方法稱(chēng)為細(xì)晶強(qiáng)化。改變晶粒大小的手段：此外，除了鋼鐵等少數(shù)金屬材料外，其它大多數(shù)金

2、屬不能通過(guò)熱處理改變其晶粒度大 小，因此通過(guò)控制鑄造及焊接時(shí)的結(jié)晶條件，來(lái)控制晶粒度的大小，便成為改善機(jī)械 性能的重要手段。影響金屬結(jié)晶時(shí)的晶粒大小的因素及原因 金屬結(jié)晶時(shí)，每個(gè)晶粒都是由一個(gè)晶核長(zhǎng)大而成的。 晶粒的大小取決于形核率和長(zhǎng)大速度的相對(duì)大小。 形核率越大，則單位體積中的晶核數(shù)目越多，每個(gè)晶粒的長(zhǎng)大余地越小，因而長(zhǎng)成 的晶粒越細(xì)小。同時(shí)長(zhǎng)大速度越小，則在長(zhǎng)大過(guò)程中將會(huì)形成更多的晶核，因而晶粒也將越細(xì)小。反之，形核率越小而長(zhǎng)大速度越大，則會(huì)得到越粗大的晶粒因此，晶粒度取決于形核率N和長(zhǎng)大速度G之比，比值-越大，晶粒越細(xì)小G根據(jù)分析計(jì)算，單位體積中的晶粒數(shù)目為單位面積中的晶粒(N卡Zv

3、為 Zv=0.9 丿數(shù)目Zs為Zs =1.1G由此可見(jiàn)，凡能促進(jìn)形核，抑制長(zhǎng)大的因素，都能細(xì)化晶粒，相反，凡是抑制形核 促進(jìn)長(zhǎng)大的因素，都便晶粒粗化。根據(jù)結(jié)晶時(shí)的形核和長(zhǎng)大規(guī)律，為了細(xì)化鑄錠和焊縫區(qū)的晶粒，在工業(yè)生產(chǎn)中可以采用 以下幾種方法：控制過(guò)冷度、變質(zhì)處理、振動(dòng)、攪動(dòng)過(guò)冷度對(duì)晶粒大小影響原理： 形核率和長(zhǎng)大速度都與過(guò)冷度有關(guān)，增大結(jié)晶時(shí)的過(guò)冷度，形核率和長(zhǎng)大速度均隨之增加，但兩者的增大速率不同，形核率的增長(zhǎng)率大于長(zhǎng)大速度的增長(zhǎng)率，如圖2-32所示 在一般金屬結(jié)晶時(shí)的過(guò)冷范圍內(nèi)，過(guò)冷度越大，則比值越大，因而晶粒越細(xì)小。G如何提高過(guò)冷度：增加過(guò)冷度的方法主要是提高液態(tài)金屬的冷卻速度。在鑄造生

4、產(chǎn)中，為了提高鑄件 的冷卻速度，通常采用金屬型或石墨型代替砂型，增加金屬型的厚度，降低金屬型 的溫度，采用蓄熱多散熱快的金屬型，局部加冷鐵，以及采用水冷鑄型等。增加過(guò)冷度的另一種方法是采用低的澆注溫度、減慢鑄型溫度的升高，或者進(jìn)行慢 澆注，這樣做一方面可使鑄型溫度不致升高太快，另一方而由于延長(zhǎng)了凝固時(shí)間， 晶核形成的數(shù)目增多，結(jié)果即可獲得較細(xì)小的晶粒。增大過(guò)冷度的方法只對(duì)小鑄件有效：用增加過(guò)冷度的方法細(xì)化晶粒只對(duì)小型或薄壁的鑄件有效， 而對(duì)較大的厚壁鑄件就不適 用。因?yàn)楫?dāng)鑄件斷面較大吋，只是表面冷得快，而心部冷得很慢，因此無(wú)法使整個(gè)鑄件 體積內(nèi)都獲得細(xì)小而均勻的晶粒。兩類(lèi)變質(zhì)劑并舉例：1. 變

5、質(zhì)處理是在澆注前往液態(tài)金屬中加入形核劑（又稱(chēng)變質(zhì)劑），促進(jìn)形成大量的非 均勻晶核來(lái)細(xì)化晶粒。2. 例如在鋁合金中加入鈦和鋯，在鋼中加入鈦、鋯、釩，在鑄鐵中加入硅鐵或硅鈣合 金就是如此。表 2.4說(shuō)明某些鑄造鋁合金中加入 B、 Zr、Ti 等變質(zhì)劑后晶粒細(xì)化的情 況。3. 還有一類(lèi)變質(zhì)劑，它雖不能提供結(jié)晶核心，但能起阻止晶粒長(zhǎng)大的作用，因此又稱(chēng) 其為長(zhǎng)大抑制劑。4. 例如將鈉鹽加入Al Si合金中，鈉能富集于硅的表面，降低硅的長(zhǎng)大速度， 使合金 的組織細(xì)化。振動(dòng)攪拌細(xì)化晶粒原理： 對(duì)即將凝固的金屬迸行振動(dòng)或攪動(dòng)，一方而是依靠從外面輸入能量促使晶核提前形成， 另一方面是使成長(zhǎng)中的枝晶破碎， 使晶核數(shù)目增加， 這已成為一種有效的細(xì)化晶粒組織 的重要手段。振動(dòng)攪拌的 4種方法：進(jìn)行振動(dòng)或攪動(dòng)的方法很多， 例如用機(jī)